CN1359477A - 用于收集和会聚光的系统 - Google Patents

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Abstract

收集和会聚系统包括配对的反射器组,其具有收集从辐射源发射的辐射并将所收集的辐射准直成平行束的第一或者收集反射器,该平行束指向第二或者会聚或者聚焦反射器的一部分,第二反射器沿着该两个反射器公共的光轴将该光聚焦在目标上。在第二反射器上形成有孔以允许从位于第一反射器的焦点处的源传输来的辐射指向第一反射器,在第一反射器上形成有孔以允许由第二反射器反射和聚焦的辐射穿过该孔到达位于第二反射器的焦点处的目标上。一透镜被定位于第一和第二反射器之间,该透镜与该两反射器的光轴为同一公共光轴,其焦点与该两反射器的焦点相同,用于收集和会聚穿过在各个反射器上形成的孔时会损耗的辐射。整个系统基本上具有单位放大率。此外,可以加入回射器以增加目标上的总的光通量密度。可沿着公共光轴级联多个电磁源和相关的配对反射器组以增加目标处的亮度。

Description

用于收集和会聚光的系统
技术领域
本发明涉及用于收集和会聚诸如光的电磁辐射的系统，具体地，涉及采用一对相对的凹面反射器表面的系统，该凹面反射器表面对用于收集从辐射源发射的辐射并将所收集的辐射聚焦在一目标上。
背景技术
将光收集、会聚并耦合到诸如单光纤、光纤束或者均质器的标准波导的系统的目的是最大化在目标(即波导的输入端)处的光亮度。使用同轴反射器和采用球面、椭球面和抛物面反射器的现有技术中的系统具有为圆形对称的优点。另一方面，由于从源发出以不同角度照射到反射面的不同部分上的光的放大率的不同，这种反射器固有地会降低光源的亮度。为非圆形对称的离轴系统在很大程度上克服了放大率的变化，并且还采用了球面、椭球面和抛物面反射器。
发明内容
本发明包括用于收集从电磁辐射源发射的辐射并将所收集的辐射会聚到一目标的装置。该装置包括：具有一凹反射面和穿过该表面形成的孔的收集反射器，以及具有一凹反射面和穿过该反射面形成的孔的聚焦反射器。该收集和聚焦反射器被定位和定向为使其各自的凹反射面处于相对的、面对面的关系。
关于该收集反射器定位该聚焦反射器，使得位于在聚焦反射器上形成的孔附近的电磁辐射源反射其电磁辐射的至少一部分，使其穿过该孔，到达该收集反射器的凹反射面。关于该聚焦反射器定位该收集反射器，使得由聚焦反射器的凹反射面反射的电磁辐射穿过在该收集反射器上形成的孔到达位于在收集反射器上形成的孔附近的目标。
收集反射器将至少一部分入射在其上的电磁辐射反射到聚焦反射器的凹反射面，并且该聚焦反射器反射至少一部分入射在其凹反射面的电磁辐射，使其穿过在收集反射器上形成的通孔，到达该目标。
收集和聚焦反射器的凹反射面优选为抛物面。而且，各个抛物反射面的光轴最好是重合的，延伸穿过在收集和聚焦反射器上形成的孔，并且收集反射器的焦点最好被定位于紧邻在聚焦反射器上形成的孔，聚焦反射器的焦点最好被定位于紧邻在收集反射器上形成的孔。
本装置还可包括置于收集和聚焦反射器之间的聚焦透镜。该聚焦透镜接收穿过在聚焦反射器上形成的通孔的电磁辐射的一部分，且聚焦所接收的电磁辐射，使其穿过在收集反射器上形成的孔。
诸如氙灯、金属卤化物灯、卤素灯、或者水银弧光灯的电磁源可以或者可以不构成该装置的一部分。类似地，目标，例如，诸如为单光纤、光纤束或者为圆形或多边形的均质器的波导输入部分也可以或者可以不构成该装置的一部分。
参考附图，结合下面的说明和所附的权利要求，本发明的其它特性和特征将会变得明显，所述附图构成说明书的一部分，并且其中类似的参考标号指定各个图中相应的部件。
附图说明
图1是一理想配对的反射器系统的示意图，其用于收集来自光源的光并以单位放大率将所收集的光会聚在目标上。
图2是一实际配对的反射器系统的示意图，其包括弧光灯、输出光纤、回射器以及在该相对的反射器上形成的孔，用于接收来自弧光灯的光并将该光传递到输出光纤。
图3是示出光源和输出光纤穿过在相对的反射器上形成的孔的辐射能量的损失的示意图。
图4是示出在该配对的反射器系统中使用聚焦透镜的示意图，该透镜用于收集和会聚辐射，否则，该所收集的辐射会穿过在反射器上形成的孔而失去。
图5是一级联系统的示意图，这里多个源的输出被加在一起用于增加在目标处的亮度。
图6A-6G是多个多边形光导(波导)目标的剖面示意图，其可被用于本发明的实施例中。
具体实施方式
参考附图，现在描述本发明的示例性实施例。这些实施例说明本发明的原理，不应当被解释为限制本发明的范围。
图1中示意地示出一理想配对反射器收集和会聚系统，通常由参考标号2来标识。该系统2包括具有一凹反射面12的第一反射器10(还被称为收集反射器)和也具有一凹反射面22的第二反射器20(还被称为会聚或者聚焦反射器)。该凹反射面12和22以面对面的相对关系放置并且最好都具有抛物面形状。反射面12和22可被涂覆有任何适用的反射材料，例如铝，银或者为在多种颜色系统例如用于可见光的冷反射镜中使用的单层或多层介质涂层。第一反射器10具有一光轴14，焦点16位于其上。类似地，第二反射器20具有一光轴24，焦点26位于其上。第一反射器10和第二反射器20最好被放置为使得它们各自的光轴14和24相互重合。在图1所示的理想系统2中，电磁辐射源30被置于第一反射器10的焦点16处，目标32被置于第二反射器20的焦点26处。由源30发射的辐射被第一反射器10的凹反射面12反射为朝向第二反射器20的凹反射面22的准直辐射射线。此后，该辐射被第二反射器20的凹反射面22再次朝第二反射器20的焦点26的方向反射，到达被置于焦点26处的目标32上。
图1是一配对反射器系统的剖面示意图。在一优选实施例中，第一和第二反射器10和20每一个都为一回转抛物面。而且，在第一反射面12和第二反射面22是如图1所示的连续固体表面的情况下，将源辐射引入该系统是不现实的，同样，从该封闭系统提取聚焦的辐射也是不现实的。
图2是本发明的一种可行的实现，其中，辐射源为一弧光灯40，放置在第一反射器10的焦点16处，目标32为一波导，诸如一输出光纤44的输入端，放置在第二反射器20的焦点26处，该两焦点16和26位于反射器10和20的公共光轴14和24上。第二反射器20上形成一孔28，由灯40发射的辐射穿过该孔进入相对的反射面12和22之间的区域，并且照射到第一反射器10的反射面12上。孔28通常优选以穿过该孔28的光轴14、24为中心。由弧光灯40发射的光辐射被第一反射器10收集、准直并射向第二反射器20。然后，该光被第二反射器20反射，并且被会聚或者聚焦在放置于第二反射器20焦点26处的目标32上。孔18被形成在第一反射器10上以允许由第二反射器20的反射面22反射的聚焦光离开反射面12、22之间的区域并入射到目标32上。孔18通常优选以穿过孔18的光轴14，24为中心。第一和第二反射器10、20优选被构造和排列成使得它们各自的焦点16、26的位置分别紧邻在对面另一反射器上形成的相应的孔。
球形回射器42可以被放置在弧光灯40的其它侧，使得从弧光灯40的该侧发射的光被回射器42反射回到该弧光灯本身并且随后被耦合进该配对反射器10、20，由此增加该系统输出的总亮度。
适用的灯包括氙灯、金属卤化物灯、卤素灯、或者水银弧光灯。
尽管图3示出了单输出光纤44，该目标还可以包括输出光纤束的输入端，用于将高功率输出到低温塑料光纤的均质器，或者用于投影电视的均质器。
图3示出图2的实现装置的缺点。具体地，由于在第一反射器10上形成的孔18必然可以是大于第二反射器20的焦点26和目标32，因此在由源发出的在对着孔18的漏逸锥面(loss cone)46内的一部分辐射会损失掉。如图所示，在第一反射器10上形成的孔18将大大地消除反射器10在这个区域的收集作用，损耗量可能是巨大的。
图4示出使用聚焦透镜50的情况，该透镜50位于第一和第二反射器10、20之间且覆盖了光的漏逸锥面46，否则，会由于抛物面反射器20、10各自的孔28、18而造成这些光的损失。透镜50优选被构造为使得该辐射到达位于焦点26处的目标上的放大率为1∶1。在图4所示的实施例中，目标是光纤束54的输入端。反射器10、20、42与聚焦透镜50的组合有效地将从弧光灯40发射的所有的光都基本上耦合到位于焦点26处的目标上。聚焦透镜50可以是传统的双凸面透镜，也可以由任何适用的材料制成，例如塑料，玻璃或者石英。而且，还可以将一抗反射涂层涂覆在聚焦透镜50的外部表面上。
图4示出一优选实施例，其包括位于优选为抛物面形状的第二反射器20的孔28处的弧光灯40、回射器42、聚焦透镜50和具有一输入端的输出光纤束54，该输出光纤束54的输入端被定位在第一反射器10上形成的孔18内，该第一反射器10也优选为抛物面形状的反射器。从弧光灯40发射的在对着孔18的漏逸锥面46内的光由透镜50收集和会聚，并且以单位放大率被聚焦于在焦点26处的光纤束54的输入端上。该聚焦透镜50具有一光轴，该光轴最好与第一和第二反射器10、20的光轴14和24重合，并且以1∶1的方式分别对第一和第二反射器10和20的焦点16和26进行成像。由弧光灯40发射的其余的光被第一反射器10和回射器42收集，并由第一反射器10准直到第二反射器20。然后，该光被第二反射器20重新聚焦到输出光纤束54的输入端。弧光灯40和输出光纤束54的输入端被分别放置在第一和第二反射器10、20的焦点16、26处。
为了增加入射在光目标上的光强度，可级联多个光源和反射器，使得各个光源的输出被组合和聚焦在单一目标上。图5示出这样一种系统。图5示出三个第一或者收集反射器10a、10b和10c，其分别具有焦点16a、16b和16c以及在其上形成的各自的孔18a、18b和18c。类似地，该系统包括三个第二或者聚焦反射器20a、20b和20c，其分别具有焦点26a，26b和16c以及在其上形成的各自的孔28a、28b和28c。三个源30a、30b和30c分别位于焦点16a、16b和16c处。回射器42可以与第一光源30a结合使用。第二和第三光源30b和30c分别位于反射器10b和10c的焦点16b和16c处。这些焦点分别基本上与反射器20a和20b的焦点26a和26b重合。由此，位于公共光轴上的光源30a、30b和30c的输出被组合并最终由第三反射器20c聚焦到目标60上，在所示实施例中，该目标60包括均质器，其输入端位于焦点26c处。为了最小化损失并进一步增加在第三焦点26c处的强度，聚焦透镜50a、50b和50c沿着公共光轴分别被定位于反射器10a和20a，10b和20b，以及10c和20c之间。
图5示出包括三个配对反射器组和三个聚焦透镜的级联装置。级联装置可包含仅两个配对的反射器组或者超过三个配对的反射器组。
如图6A-6G所示，均质器可以是圆形(图6A)或者是诸如正方形(图6B)、矩形(图6C)、三角形(图6D)、五边形(图6E)、六边形(图6F)或者八边形(图6G)或者任何其它多边形状的多边形形状。而且，均质器可以由任何适用的材料制成，例如塑料、玻璃或者石英。
尽管结合当前被认为是最实用和优选的实施例对本发明进行了说明，但应当理解本发明不局限于所公开的实施例，相反，其旨在覆盖在所附权利要求的精神和范围内包括的各种改进和等价装置。因此，应当理解，在不脱离如下权利要求定义的本发明的新颖特征的情况下，可改变用于定义本发明的特定的参数。

Claims (28)

1、一种装置，包括：
电磁辐射源；
待被由所述源发射的至少一部分电磁辐射照射的目标；
收集反射器，其具有一凹反射面和穿过该反射面形成的孔；和聚焦反射器，其具有一凹反射面和穿过该反射面形成的孔，所述收集和聚焦反射器被定位和定向为使得它们各自的凹反射面处于相对的、面对面的关系，
所述源被如此定位和定向，使得由该源发射的至少一部分电磁辐射穿过在所述聚焦反射器上形成的孔而到达所述收集反射器的所述凹反射面，所述收集反射器将入射在其上的至少一部分电磁辐射反射到所述聚焦反射器的所述凹反射面，所述聚焦反射器被构造和放置为使得由其凹表面反射的至少一部分电磁辐射被聚焦并穿过形成于所述收集反射器上的孔，所述目标被定位和定向以用于接收由所述聚焦反射器反射的且穿过形成于所述收集反射器上的孔的至少一部分被聚焦的电磁辐射。
2、根据权利要求1的装置，其中所述收集和聚焦反射器的所述凹反射面为抛物面形状。
3、根据权利要求1的装置，其中所述收集反射器具有一光轴和在所述光轴上的焦点，所述聚焦反射器具有一光轴和在所述光轴上的焦点，其中所述源位于紧邻所述收集反射器的所述焦点的位置，所述目标位于紧邻所述聚焦反射器的所述焦点的位置。
4、根据权利要求3的装置，其中所述收集和聚焦反射器的所述光轴相互重合并且延伸穿过在所述收集和聚焦反射器上形成的孔。
5、根据权利要求1的装置，还包括一关于所述源定位的回射器，用以将从所述源发射的沿离开在所述聚焦反射器上形成的孔的方向的辐射反射回到该穿过所述聚焦反射器所形成的孔。
6、根据权利要求1的装置，还包括置于所述收集和聚焦反射器之间的聚焦透镜，所述聚焦透镜被构造并放置为接收穿过在所述聚焦反射器上形成的孔的一部分电磁辐射，并且聚焦所接收的电磁辐射，使其穿过在所述收集反射器上形成的孔到达所述目标上。
7、根据权利要求6的装置，其中所述聚焦透镜可由以下材料制成：塑料、玻璃或者石英。
8、根据权利要求6的装置，其中所述聚焦透镜被涂覆有抗反射涂层。
9、根据权利要求6的装置，其中所述收集反射器具有一光轴和在所述光轴上的焦点，所述聚焦反射器具有一光轴和在所述光轴上的焦点，所述收集和聚焦反射器的所述光轴相互重合并且延伸穿过在所述收集和聚焦反射器上形成的孔，并且其中所述聚焦透镜的光轴与所述收集和聚焦反射器的光轴重合。
10、根据权利要求1的装置，其中所述目标包括波导的输入部分。
11、根据权利要求10的装置，其中所述波导包括光纤。
12、根据权利要求11的装置，其中所述波导包括被排列为光纤束的多个光纤。
13、根据权利要求10的装置，其中所述波导包括均质器。
14、根据权利要求13的装置，其中所述均质器具有圆形剖面形状。
15、根据权利要求13的装置，其中所述均质器具有多边形剖面形状。
16、根据权利要求15的装置，其中所述均质器的形状可以是三角形、矩形、五边形、六边形和八边形。
17、根据权利要求1的装置，其中所述电磁辐射源包括弧光灯。
18、根据权利要求17的装置，其中所述源包括可以为氙灯、金属卤化物灯、卤素灯、和水银弧光灯的弧光灯。
19、根据权利要求6的装置，还包括：
至少一个附加的收集发射器和相应数目的附加的聚焦反射器，每一个所述附加的收集和聚焦反射器在其上均形成有一孔，所述收集和聚焦反射器以相对的收集-聚焦反射器对被置于一公共光轴上；
至少一个附加的电磁辐射源，使得所述电磁辐射源的总数目对应于收集-聚焦反射器对的总数目；和
至少一个附加的聚焦透镜，使得所述聚焦透镜的总数目对应于收集-聚焦反射器对的总数目，每一个所述聚焦透镜被置于相关的一个所述收集-聚焦反射器对的相对的收集和聚焦反射器之间。
20、一种用于收集从电磁辐射源发射的辐射并将所收集的辐射会聚到目标上的装置，所述装置包括：
第一反射器，其具有一凹反射面和穿过该反射面形成的孔；和
第二反射器，其具有一凹反射面和穿过该反射面形成的孔，所述第一和第二反射器被定位和定向为使得它们各自的凹反射面处于相对的、面对面的关系，
关于所述第一反射器来定位所述第二反射器，以便允许由紧邻在所述第二反射器上形成的孔定位的源所发射的至少一部分电磁辐射穿过所述孔，到达所述第一反射器的所述凹反射面，
所述第一反射器被构造和放置为将入射在其上的至少一部分电磁辐射反射到所述第二反射器的所述凹反射面上，和
关于所述第二反射器来定位所述第一反射器，以便允许由所述第二反射器的所述凹反射面反射的至少一部分电磁辐射穿过在所述第一反射器上形成的孔，到达紧邻在所述第一反射器上形成的孔定位的目标，
所述第二反射器被构造并放置为聚焦入射在其凹反射面上的至少一部分电磁辐射，使其穿过在所述第一反射器上形成的孔并朝向该目标。
21、根据权利要求20的装置，其中所述第一和第二反射器的所述凹反射面为抛物面形状。
22、根据权利要求20的装置，其中所述第一反射器具有一光轴和在所述光轴上的焦点，所述第二反射器具有一光轴和在所述光轴上的焦点，所述第一和第二反射器的所述光轴重合并且延伸穿过分别形成于所述第一和第二反射器上的孔。
23、根据权利要求22的装置，其中所述第一反射器的焦点位于紧邻在所述第二反射器上形成的孔的位置，所述第二反射器的焦点位于紧邻在所述第一反射器上形成的孔的位置。
24、根据权利要求20的装置，还包括置于所述第一和第二反射器之间的聚焦透镜，所述聚焦透镜被构造并放置为用于接收穿过在所述第二反射器上形成的孔的一部分电磁辐射，并且将所接收的电磁辐射聚焦穿过在所述第一反射器上形成的孔。
25、根据权利要求24的装置，其中所述第一反射器具有一光轴和在所述光轴上的焦点，所述第二反射器具有一光轴和在所述光轴上的焦点，所述第一和第二反射器的所述光轴相互重合并且延伸穿过在所述第一和第二反射器上形成的孔，并且其中所述聚焦透镜的光轴与所述第一和第二反射器的光轴重合。
26、一种装置，包括：
电磁辐射源；
待被由所述源发射的至少一部分电磁辐射照射的目标；
第一反射器，其具有一凹反射面和穿过该反射面形成的孔；和
第二反射器，其具有一凹反射面和穿过该反射器形成的孔，所述第一和第二反射器被定位和定向为使得它们各自的凹反射面处于相对的、面对面的关系，
所述源被如此定位和定向，使得由该源发射的至少一部分电磁辐射穿过在所述第二反射器上形成的孔而到达所述第一反射器的所述凹反射面，所述第一反射器将入射在其上的至少一部分电磁辐射反射到所述第二反射器的所述凹反射面，所述第二反射器被如此定位和定向，使得由其凹面反射的至少一部分电磁辐射被聚焦并穿过在所述第一反射器上形成的孔，所述目标被定位和定向为用于接收由所述第二反射器反射的且穿过在所述第一反射器上形成的孔的至少一部分被聚焦的电磁辐射，和
置于所述第一和第二反射器之间的聚焦透镜，所述聚焦透镜被构造并放置为用于接收穿过在所述第二反射器上形成的孔的一部分电磁辐射，并且聚焦所接收的电磁辐射，使其穿过在所述第一反射器上形成的孔到达所述目标上。
27、根据权利要求26的装置，其中所述第一和第二反射器的所述凹反射面为抛物面形状。
28、根据权利要求26的装置，其中所述第一反射器具有一光轴和在所述光轴上的焦点，所述第二反射器具有一光轴和在所述光轴上的焦点，所述第一和第二反射器的所述光轴相互重合并且延伸穿过在所述第一和第二反射器上形成的孔，并且其中所述聚焦透镜的光轴与所述第一和第二反射器的光轴重合。
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